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Hydrogen and Storage Research Center
Seminário: Estado da Arte do Armazenamento de Energia e Inserção de Fontes Renováveis
Intermitentes
A experiência da Alemanha
no Armazenamento de Energia por meio de Hidrogênio
Dra. Cinthya Guerrero
Dr. Ulrich Fischer Prof. Dr. Hans Joachim Krautz
19 e 20 de Março, 2018 São Paulo, Brasil
São Paulo 19 - 20.03.2018 2
Conteúdo
1. Implicações da política energética “Energiewende” na Alemanha
2. Rotas de geração e uso de hidrogênio
3. Estado da arte da tecnologia
4. Exemplos de projetos e experiência na Alemanha
5. Desenvolvimento dos aspectos econômicos da tecnologia
6. Eficiência da cadeia de conversão
7. Aspectos principais da pesquisa
São Paulo 19 - 20.03.2018 3
1. Implicações da política energética “Energiewende” na Alemanha Contribuição de diferentes fontes de energia para a geração de potência bruta - Extrapação linear até 2050
Combustíveis fósseis Energia eólica Energia hidrelétrica Biomassa Fotovoltaica Geotérmica Outra
Ano
São Paulo 19 - 20.03.2018 4
1. Implicações da política energética “Energiewende” na Alemanha Contribuição de diferentes fontes de energia para a geração de potência bruta - Extrapação linear até 2050
Combustíveis fósseis Energia eólica Energia hidrelétrica Biomassa Fotovoltaica Geotérmica Outra
Ano
São Paulo 19 - 20.03.2018 5
1. Implicações da política energética “Energiewende” na Alemanha Contribuição de diferentes fontes de energia para a geração de potência bruta - Extrapação linear até 2050
Combustíveis fósseis Energia eólica Energia hidrelétrica Biomassa Fotovoltaica Geotérmica Outra
Ano
São Paulo 19 - 20.03.2018 6
Geração e demanda de energia Extrapolação linear até 2030
zeitlicher Verlauf [d] Tempo
Cap
acid
ade
[MW
]
Re-conversão de energia (MW) Fotovoltaica (MW) Energia eólica (MW) Combustíveis fósseis (MW) Demanda (MW)
São Paulo 19 - 20.03.2018 7
Geração e demanda de energia Extrapolação linear até 2040
Cap
acid
ade
[MW
]
Tempo
Re-conversão de energia (MW) Fotovoltaica (MW) Energia eólica (MW) Combustíveis fósseis (MW) Demanda (MW)
São Paulo 19 - 20.03.2018 8
Tempo
Geração e demanda de energia Extrapolação linear até 2050
Re-conversão de energia (MW) Fotovoltaica (MW) Energia eólica (MW) Combustíveis fósseis (MW) Demanda (MW)
Cap
acid
ade
[MW
]
São Paulo 19 - 20.03.2018 11
Hidrogênio como matéria-prima (indústria química, indústria siderúrgica) Usos do hidrogênio fora do setor energético
Fonte: DENA
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Emissões de CO2 do setor de transporte
Compatibilidade ambiental do hidrogênio Redução das emissões do sector de transporte
Fonte: DENA
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3. Estado da arte da tecnologia
Electrólito alcalino Iões hidróxido (OH ~) através do diafragma
Eletrólito ácido (a própria membrana) Fluxo de prótons
Eletrólito de óxido sólido Fluxo de superóxido (O2-)
Membrana de troca de prótons
Fonte: Hydrogenics
e ITM
São Paulo 19 - 20.03.2018 14
Comparação das tecnologias de eletrólise de água
Eletrólise alcalina Eletrólise PEM
Vantagens Tecnologia madura e resistente Alta esperança de vida Menos custos de investimento (-5 ... 20%)
Vantagens
Alta densidade de corrente Design mais compacto e espaço reduzido Sem circuito de eletrólito alcalino cáustico Maior capacidade de carga parcial
Desvantagens
Menor densidade de corrente Capacidade de carga parcial
Desvantagens Custos de investimento mais elevados
Degradação do stack
Hydrogenics stack alcalino 10 bar
Hydrogenics stack PEM
McPhy Eletrólise alcalina, atm.
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Capacidade
2 5
10
100
300
150
Carga mínima
Sobrecarga PEM
Alcalina
BTU CS Indústria
Comparação das tecnologias de eletrólise de água Flexibilidade na operação
São Paulo 19 - 20.03.2018 16
Tecnologias modulares para projetos de grande porte Exemplo: Configuração de 10 MW
Fonte: Mcphy
2.000 Nm3/h H2 Requisitos de espaço: 60 m x 40 m
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Custos de uma instalação de eletrólise alcalina
Stack
Fonte: G. Saur, NREL
São Paulo 19 - 20.03.2018 19
Na Alemanha, vários sistemas piloto e de demonstração estão em operação ou planejamento
4. Exemplos de projetos e experiência na Alemanha
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Integração das energias regenerativas − Demonstração da interação de diferentes componentes para
construir sistemas de fornecimento de energia autônomos com opções de feed-in ou como sistemas isolados.
− Base para o desenvolvimento de novos conceitos de oferta e feed-in para energias renováveis como parte de projetos de P&D para implementação conjunta com empresas regionais de energia
Protótipo de célula de eletrólise − Possibilidade de geração de eletricidade a partir do vento com
previsão e agendamento de carga (em conexão com as previsões meteorológicas)
− Planta para a geração de hidrogênio
Centro de pesquisa de hidrogênio e armazenamento da BTU Cottbus-Senftenberg / CEBra
Desenvolvimento, aquisição, montagem e comissionamento de sistemas para a construção do centro de pesquisa de hidrogênio e armazenamento
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Planta piloto para a integração de energias renováveis: BTU Cottbus-Senftenberg
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Armazenamento de energia eólica Desenvolvimento de métodos para avaliação de locais potenciais Avaliação de componentes Requisitos para armazenamento geológico Modelagem funcional Proteção ambiental e climática Pesquisa de aceitação e transparência Análise do sistema e avaliação econômica
WESpe: Armazenamento de Energia Eólica: BTU C-S
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Sistema de hidrogênio: eletrólise + armazenamento de estado sólido
Estação de
reabastecimento de combustível operada por Total
Localizada no
"Aeroporto de Berlim“ Comissionamento:
Maio de 2014
McLyzer 250 kg/day 42 bar system Electrolyzer
McStore 100: 100 kg/day Metal Hydride (3,3 MWh)
Referências em operação: H2BER (Berlim) - 2014
Fonte: McPhy
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Geração de hidrogênio a partir de fontes de energia renováveis: BTU C-S
Ministério da Ciência, Estado de Brandemburgo
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Conceito para a integração de energia regenerativa nas redes elétricas e de gás natural Uckermark
corrente elétrica
H2
H2
Mistura de Gases (Gás Natural)
H2
Biogás Produção combinada de calor e electricidade
Energia
Subestação Bertikow diretamente na rede 220 kV
3 plantas cada uma com potência nominal de 2 MW
Eletrolisador de 500 kW; 120 Nm³/h H2; Pureza do H2 = 4.0
Pel. = 350 kW Ptherm. = 340 kW
corrente elétrica
Fonte: ENERTRAG
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Energiepark Mainz
Eletrólise-PEM: 3 x1,3 MW Alimentação direta de H2 nos gasodutos de distribuição (0,7-0,9 bar) e de transmissão (50-60 bar) Enchimento de reboque (200 bar)
Fonte: Energiepark-mainz.de
Combustíveis Valor calorífico (in MJ/kg)
Valor calorífico (in MJ/m³)
Hidrogênio 119,972 10,783
Gás natural 32…45 31…41
Metano 50,013 35,883
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Projeto Audi e-Gas, Werlte
• Eletrólise Alcalina de 6MW • Metanação com CO2 de uma planta de biogás • Utilização do calor residual da metanação para o processo de fermentação • Injeção direta de SNG (Gás Natural)
Fonte: ETOGAS
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Rede de transmissão e gasoutos na Alemanha
Fonte: BMWi Fonte: Forum Netztechnik Netz Betrieb im VDE
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Declínio dos custos a partir do tamanho da planta
(Usando a taxa de câmbio da primeira semana de Março de 2018)
5. Desenvolvimento dos aspectos econômicos da tecnologia
0
5000
10000
15000
20000
25000
20 50 800 1000 2000 20000
Inve
stim
ento
BR
L/kW
Tamanho da planta Nm3/h H2
Investimento BRL/kW
Investimento BRL/kW
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Aspectos econômicos e oportunidades de mercado
Em relação à rentabilidade da tecnologia “Power to Gas”, os critérios mais importantes são os custos da energia elétrica, de investimento e de manutenção das plantas de geração de hidrogênio e as possibilidades de rendimento em vários mercados. Diferentes cenários foram desenvolvidos variando o preço da eletricidade e o número de horas de operação em plena capacidade. Nos cenários atuais P1, P2, os preços da eletricidade de 4 € ct/kWh ou 9 € ct/Wh foram definidos a partir de turbinas eólicas com 2000 horas de serviço anual. Aqui presume-se que a eletrólise é acoplada diretamente ao parque eólico, e nenhuma outra perda é incorrida. O cenário P3 combina um preço de mercado mais elevado para a energia elétrica de 11€ ct/kWh com um alto número de horas de operação de 8000 por ano.
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6. Eficiência da cadeia de conversão
Fornecimento direto de hidrogênio via transporte por veículos Eficiência total η = 78,0%
Nesta rota, assume-se que a eletrólise está localizada diretamente na fonte de energia renovável e já fornece hidrogênio a uma pressão de 30 bar. Em uma estação de enchimento, o hidrogênio é comprimido para 500 bar e é enchido em caminhões. Este nível de pressão corresponde ao estado da arte.
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Fornecimento de hidrogênio com transporte através de gasodutos de H2, Eficiência total η = 80,2%
A rota usa uma rede de gás H2 em vez do transporte por veículos. A pressão da linha de hidrogênio de 80 bar corresponde à de uma linha de transporte para altas taxas de fluxo. Dados para transporte de rede de gás H2.
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Fornecimento de hidrogênio com armazenamento em cavernas e transporte através de rede de gás de H2, eficiência total η = 78,4%
Para quantidades muito grandes de produção de hidrogénio, e para o armazenamento a longo prazo, o armazenamento pressurizado numa caverna subterrânea é viável. As cavernas típicas têm um tamanho geométrico de 500.000 m3 e são operadas a uma pressão de aproximadamente 60 a 175 bar. Isso corresponde a uma capacidade máxima de hidrogênio de aproximadamente 57 milhões de Nm3.
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Provisão de hidrogênio com transporte via gasoduto de H2 para reconversão Eficiência geral com turbina a gás η = 28,1%,
Eficiência geral com CCGT η = 42,5%, Eficiência total com células de combustível η = 43,3%
Para a reconversão com o hidrogênio, três opções são assumidas. O uso direto de uma célula de combustível, uma turbina de gás com hidrogênio e uma planta de H2-CCGT (Turbina de Ciclo de Gás Combinado) são consideradas. Em todos os casos, a eficiência está novamente relacionada ao HHV.
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7. Aspectos principais da pesquisa Eletrólise alcalina - Design de células e eletrodos
Maior resistência eletrolítica
As borbulhas de gás na superfície do eletrodo aumentam a resistência
Densidade da borbulha aumentando com altura
Densidade de corrente não uniforme
Diâmetro das borbulhas
o O2: 500 µm
o H2: 20-30 µm
Menor resistência
Perigo de curto-circuito se danificar a membrana
Evolução da borbulha principalmente em bordas de furos
Os orifícios devem ser pequenos para a área da borda grande
Buracos devem ser suficientemente grandes para permitir o desprendimento de borbulhas
Diâmetro dos furos:
o Anode: 1200 µm
o Cathode: 300 µm
Sources: Fischer, J. Hofmann, H. Luft, G. and Wendt, H. (1980) fundamtenal investigations and electrochemical engineering aspects concerning and advanced concept for alkaline water electrolyis. AICHE J. 26 (5) 794-802. Wendt, H. (1984) Neue konstruktive und prozesstechnische Konzepte für die Wasserstroff-Gewinnung durch Elektrolyse. Chem.-Ing.Tech. 56 (4), 265.272. Micro – gap
Espaçamento entre eletrodo perfurado e membrana : 0,2-1,5mm
Espaçamento entre eletrodo perfurado e níquel - folha separadora : ca. 7-10mm
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Desenvolvimento de melhores eletrocatalisadores com baixa taxa de degradação no ambiente áspero oxidativo do eletrólise PEM
Desenvolvimento de eletrocatalisadores mais baratos com menor PGM (metais do grupo da platina) carregando
Substituição de materiais caros por colectores de corrente e materiais de placas bipolares (titânio) por alternativas mais baratas (por exemplo, aço inoxidável revestido)
Diminuição do custo total da eletrólise da PEM pela produção em massa
Aumento da pressão do sistema Desenvolvimento de pressão-eletrólise
com design desequilibrado (apenas lado catódico pressurizado)
Aspectos principais na pesquisa de eletrólise-PEM
beidseitig mit Katalysator beschichtet
Membrana condutora com camada de catalisador
Diaphragm
Capa de difusão de gás
Placas bipolares com fluxos